【摘要】：現(xiàn)今能源和環(huán)境問題備受關(guān)注,資源豐富且清潔環(huán)保能源的開發(fā)任務(wù)日益緊迫。聚變核能因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)作未來解決能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。高性能材料的研發(fā)是當(dāng)前聚變核能發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)和V合金作為未來聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料具有重要的應(yīng)用前景。低活化Fe素體/馬氏體剛和V合金作為聚變反應(yīng)堆第一壁和包層材料應(yīng)用面臨高能粒子輻照和嬗變氦積累的考驗(yàn)。針對(duì)低活化鐵素體/馬氏體鋼和V合金主要成分—Fe和V,本文首先在現(xiàn)有Fe-He勢(shì)的基礎(chǔ)上采用分子動(dòng)力學(xué)方法全面系統(tǒng)地研究了Fe中氦原子濃度、氦原子位置、輻照溫度以及初級(jí)碰撞原子能量對(duì)位移級(jí)聯(lián)的影響,重點(diǎn)討論了原子離位、缺陷數(shù)目、缺陷的分布和團(tuán)聚受輻照條件的影響。其次,針對(duì)金屬V,我們?cè)诘谝辉碛?jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了準(zhǔn)確的V-He原子間相互作用勢(shì),并采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了V中氦原子的基本行為。在此基礎(chǔ)上,我們最后分別研究了置換氦和間隙氦摻雜情況下氦濃度、輻照溫度以及能量對(duì)V中原子離位過程、缺陷數(shù)目、缺陷分布與團(tuán)聚的影響。通過對(duì)比反映了金屬Fe和V在雜質(zhì)氦摻雜情況下級(jí)聯(lián)結(jié)果的異同。研究發(fā)現(xiàn),氦原子在金屬V中優(yōu)先占據(jù)四面體間隙位置,氦原子團(tuán)簇多以具有高對(duì)稱性的構(gòu)型出現(xiàn)。氦原子在金屬V中擴(kuò)散勢(shì)壘僅為0.06電子伏特,其擴(kuò)散路徑:從四面體間隙位置遷移到另外一個(gè)最近鄰的四面體間隙位置而非跨越八面體間隙位,與金屬Fe中間隙氦原子的擴(kuò)散相類似。金屬V中氦原子之間的結(jié)合能極低,氦原子在金屬V中的捕獲主要依賴于實(shí)現(xiàn)存在于晶格中的缺陷,其自捕獲發(fā)生概率極低。在金屬Fe中,無論對(duì)于置換氦摻雜還是間隙氦摻雜的情況,初級(jí)碰撞原子能量增加均導(dǎo)致殘留缺陷數(shù)目增加。在置換氦摻雜情況下,低溫度缺陷的數(shù)目隨著置換He原子濃度的增加而緩慢減少,高溫下缺陷的數(shù)目隨置換He原子濃度的增加而增加。在間隙氦原子摻雜的情況下缺陷數(shù)目隨著氦原子濃度的增加而增加,其增加趨勢(shì)不受溫度影響,但高溫下級(jí)聯(lián)缺陷數(shù)目隨間隙氦濃度增加而增加的速率遠(yuǎn)比低溫度下級(jí)聯(lián)缺陷的增加速率高。在金屬V中,置換氦原子濃度的增加導(dǎo)致缺陷數(shù)目增加,PKA能量和環(huán)境溫度的增加均加劇缺陷數(shù)目隨置換氦濃度增加而增加的速率。間隙氦原子的濃度對(duì)級(jí)聯(lián)缺陷的數(shù)目影響極小,PKA能量增加所致缺陷數(shù)目呈直線增加的趨勢(shì)與置換氦摻雜情況下的趨勢(shì)一致。低溫輻照級(jí)聯(lián)缺陷數(shù)目隨PKA能量增加而增加的速率高于高溫下的相應(yīng)速率,與置換氦原子摻雜V和間隙氦摻雜Fe的情況完全相反。此外,金屬V中缺陷數(shù)目呈線性增加的趨勢(shì)與金屬Fe中非線性增加趨勢(shì)差別明顯。關(guān)于級(jí)聯(lián)缺陷的分布研究表明,無論對(duì)于Fe還是在V,在摻雜氦和間隙氦摻雜的情況下,級(jí)聯(lián)缺陷均呈殼層分布。空位分布于級(jí)聯(lián)中心,自間隙原子靠外分布,氦原子在級(jí)聯(lián)中心集中分布。關(guān)于級(jí)聯(lián)缺陷的團(tuán)聚問題,在置換氦摻雜的Fe中,缺陷團(tuán)簇的數(shù)目隨著PKA能量的增加而增加,該趨勢(shì)由空位團(tuán)簇?cái)?shù)目隨尺寸的分布趨勢(shì)決定。在間隙氦原子摻雜Fe的情況下,位移級(jí)聯(lián)過程中參與團(tuán)聚的氦原子數(shù)目隨著PKA能量和氦原子濃度的增加而增加。大部分參與團(tuán)聚的氦原子均形成Hen團(tuán)簇,氦-空位復(fù)合體的數(shù)目隨著初級(jí)碰撞原子能量以及雜質(zhì)氦原子濃度的增加而增加。PKA能量越高體系所出現(xiàn)的各尺寸氦-空位團(tuán)簇的數(shù)目則越多,空位團(tuán)簇的數(shù)目隨著氦原子濃度的增加而明顯降低。在金屬V中,兩類氦原子摻雜情況下PKA能量的增加均導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目增加。輻照溫度對(duì)不同類型摻雜氦的情況下缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目的影響完全相反,在置換氦摻雜情況下溫度上升導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目上升,該趨勢(shì)受空位型缺陷團(tuán)簇主導(dǎo)。而在間隙摻雜情況下,溫度上升導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目下降,該趨勢(shì)主要由氦團(tuán)簇?cái)?shù)目變化規(guī)律主導(dǎo)。置換氦濃度上升對(duì)于不同尺寸團(tuán)簇?cái)?shù)目的影響不一致,間隙氦濃度上升導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目上升。
【圖文】：

圖 1.2 本文研究思路大綱概要，本文以低活化鐵素體/馬氏體鋼和V合金為背景，針對(duì)其V展開全面系統(tǒng)的原子模擬研究。首先，本文在現(xiàn)有Fe-He礎(chǔ)上采用分子動(dòng)力學(xué)全面系統(tǒng)地研究了金屬Fe中氦原子濃溫度以及初級(jí)碰撞原子能量對(duì)位移級(jí)聯(lián)的影響，所考慮的變結(jié)構(gòu)材料氦原子累積極限之內(nèi)，全面分析了輻照條件變離位過程、缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目的影響。在分析輻照缺陷團(tuán)簇的無輻照情況下的缺陷團(tuán)簇特征，探討分析了位移級(jí)聯(lián)過程其主要捕獲機(jī)制。其次，針對(duì)V-4Ti-4Cr合金主要成分——計(jì)算研究了氦原子在金屬V中基本占位、遷移擴(kuò)散和結(jié)合算結(jié)果，我們?cè)趕-band模型的理論框架內(nèi)構(gòu)建了準(zhǔn)確的V-并采用上述勢(shì)函數(shù)研究了金屬V中氦原子捕獲行為，對(duì)比原子捕獲行為所存在的差異。最后，，本文針對(duì)V合金在服役

2.2 相空間化學(xué)反應(yīng)初末態(tài)以及相關(guān)鏡像中，首先須確定反應(yīng)初態(tài)和末態(tài)，和末態(tài)之間產(chǎn)生一系列鏡像點(diǎn)(ima構(gòu)成不連續(xù)路徑[90]。該處理方法所N]。其中，端點(diǎn) R0 和 RN 為固定值1 個(gè)中間態(tài)可通過優(yōu)化算法進(jìn)行調(diào)整所示：1211 1( ) ( )2Ni i iikE R R R R1, R2,..., RN位置實(shí)現(xiàn)。給出了系統(tǒng)的初態(tài)和末態(tài)。在初、后通過 NEB 方法進(jìn)行位置優(yōu)化，從鞍點(diǎn)與初末態(tài)的能量差值便為欲求
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TL627

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